摘要：本文簡(jiǎn)要的介紹了一種應(yīng)用在點(diǎn)膠機(jī)器人上的示教編程器。包括編程器的結(jié)構(gòu)、原理，以及在樂(lè)創(chuàng)自動(dòng)化技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的FS30點(diǎn)膠機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。這種示教編程器可以示教出各種各樣復(fù)雜的圖形，讓點(diǎn)膠機(jī)器人按照人的意志和點(diǎn)膠工藝的要求來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的指令，完成點(diǎn)膠功能。
關(guān)鍵詞：示教 點(diǎn)膠機(jī)器人 起點(diǎn)校正 陣列 文件連接 連續(xù)插補(bǔ) 點(diǎn)膠工藝

0 引言
在工業(yè)生產(chǎn)中，很多地方都需要用到點(diǎn)膠，比如集成電路、印刷電路板、彩色液晶屏、電子元器件（如繼電器、揚(yáng)聲器）、汽車部件等等。傳統(tǒng)的點(diǎn)膠是靠工人手工操作的。隨著自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，手工點(diǎn)膠已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)上的要求。手工點(diǎn)膠具有速度慢，精度差等缺點(diǎn)。市場(chǎng)上要求一種速度快，效率高，精度高的設(shè)備。因此就出現(xiàn)了全自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)器人。
在科技就是第一生產(chǎn)力的今天，全自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)器人的出現(xiàn)為點(diǎn)膠行業(yè)帶來(lái)前所未有的機(jī)遇和發(fā)展。大大地提高了點(diǎn)膠的效率，降低了生產(chǎn)成本，并具有精度高，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
示教編程器系統(tǒng)可以使用戶與點(diǎn)膠機(jī)器人簡(jiǎn)單方便地交流，讓機(jī)器人按照用戶的想法和點(diǎn)膠的工藝要求來(lái)運(yùn)動(dòng)。它能夠簡(jiǎn)易地控制點(diǎn)膠機(jī)器人，發(fā)送各種運(yùn)動(dòng)指令，執(zhí)行各種圖形的點(diǎn)膠。此外，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的改造后，這個(gè)系統(tǒng)還可以用在點(diǎn)焊、激光切割等機(jī)器人上。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 點(diǎn)膠機(jī)器人構(gòu)造
點(diǎn)膠機(jī)器人由“機(jī)械+電機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡”組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：


圖一 點(diǎn)膠機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖
機(jī)械部分就是一個(gè)三自由度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)平臺(tái)。膠頭可以通過(guò)機(jī)械的移動(dòng)定位到空間的任意一個(gè)(x,y,z)坐標(biāo)。運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)智能的電子計(jì)算機(jī)。它發(fā)脈沖給電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。它可以控制機(jī)械走出各種各樣的軌跡，靈活的控制運(yùn)動(dòng)速度、加速度，進(jìn)行高精度地定位。其定位精度可達(dá)到0.01mm。另外，這個(gè)卡還留有RS232接口與外界設(shè)備，比如示教盒或PC通訊。

1.2 示教編程器的結(jié)構(gòu)
示教盒的主要硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示：


圖二 示教盒硬件結(jié)構(gòu)示意圖
示教盒主要由CPU、LCD顯示、鍵盤(pán)、flash可掉電存儲(chǔ)器、通訊模塊組成。
操作人員使用鍵盤(pán)和LCD進(jìn)行人機(jī)交互。CPU把操作人員的想法變成機(jī)器指令通過(guò)RS232通訊口發(fā)給運(yùn)動(dòng)控制卡。另外，CPU還可以把一些操作人員設(shè)置好的圖形以文件的方式存儲(chǔ)在flash可掉電存儲(chǔ)器中。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件的流程如下：


圖三 示教盒軟件結(jié)構(gòu)示意圖
軟件使用KeilC語(yǔ)言編寫(xiě)。
鍵盤(pán)檢測(cè)選擇采用掃描方式而不是中斷方式。因?yàn)閽呙璺绞绞管浖Y(jié)構(gòu)更加整潔，更容易管理。鍵盤(pán)觸發(fā)的持續(xù)時(shí)間一般比較長(zhǎng)，至少是毫秒級(jí)的。MCU的速度是MHZ級(jí)，掃描鍵盤(pán)綽綽有余，不需要擔(dān)心實(shí)時(shí)響應(yīng)問(wèn)題。鍵盤(pán)檢測(cè)的中斷方式雖然響應(yīng)很快，但是會(huì)導(dǎo)致軟件的結(jié)構(gòu)混亂，難以管理，內(nèi)存操作復(fù)雜。
軟件的核心模塊在于文件的存儲(chǔ)和編譯。
文件需要以一定格式來(lái)存儲(chǔ)。文件存儲(chǔ)并不需要用標(biāo)準(zhǔn)的Fat或Fat32等格式，因?yàn)樗⒉恍枰獢y帶復(fù)雜的信息。文件只需要進(jìn)行方便的讀、寫(xiě)、復(fù)制、刪除、修改等操作就可以了。因此，選擇采用鏈表的方式存儲(chǔ)文件。另外，使用鏈表操作效率也是很高的。
以用戶的角度看，文件中存儲(chǔ)的內(nèi)容就是一些點(diǎn)列表。比如孤立點(diǎn)，直線起點(diǎn)，直線終點(diǎn)等等。這些點(diǎn)在一起就可以組成一個(gè)完整的圖形（詳細(xì)可參見(jiàn)第3章的介紹）。另外文件中還有一些參數(shù)，比如運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、上抬高度等等。
文件編譯就是把存儲(chǔ)在文件中的點(diǎn)列表信息和參數(shù)轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)指令發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制卡。實(shí)際上文件編譯可以看做是一個(gè)如下的映射過(guò)程：


圖四 文件編譯過(guò)程示意圖
根據(jù)文件的結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令之間的關(guān)系，就可以構(gòu)造出映射函數(shù)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)編譯的過(guò)程。

3 示教流程
3.1 示教流程
如果人想讓點(diǎn)膠機(jī)器人運(yùn)動(dòng)一個(gè)如下圖所示跑道型的軌跡。


圖五 示教跑道圖形示意圖
這個(gè)跑道可以看做是“直線+圓弧+直線+圓弧”組成。直線由2個(gè)點(diǎn)（起點(diǎn)和終點(diǎn)）確定，圓弧由3個(gè)點(diǎn)（起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)）確定。因此只需要把這些“關(guān)鍵點(diǎn)”位置定下來(lái)，用戶就可以示教出一個(gè)完整的圖形。操作者需要首先新建一個(gè)文件。然后，按示教盒的提示依次插入每段圖形的起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)（如圖五所示7個(gè)點(diǎn)），就確定下來(lái)這個(gè)圖形。最后設(shè)置一下運(yùn)動(dòng)的參數(shù)。于是就示教出了一個(gè)圖形文件。用示教盒執(zhí)行這個(gè)文件就可以按這個(gè)文件的圖形加工了。
3.2 復(fù)雜圖形示教
3.2.1 文件陣列
如果要示教出一個(gè)4行，5列的矩形陣列。如下圖所示：


圖六 示教陣列圖形
首先只需要示教出一個(gè)矩形（由4條直線組成）。然后設(shè)置陣列的屬性，包括陣列的行數(shù)、列數(shù)、行偏移、列偏移以及方向（先X方向還是先Y方向）。最后運(yùn)行文件即可。

3.2.2 文件連接
如圖六所示圖形。如果只用單個(gè)文件想把9個(gè)圓形和4個(gè)正方形示教出來(lái)，過(guò)程會(huì)非常復(fù)雜。但是只要使用文件連接功能，只需要簡(jiǎn)單地示教一個(gè)3x3的圓形陣列和一個(gè)2x2的矩形陣列，然后把他們連接起來(lái)，就可以了。


圖七 示教文件連接

4 點(diǎn)膠工藝及解決方案
4.1 拐彎沖擊處理
點(diǎn)膠機(jī)器人運(yùn)動(dòng)拐彎的地方（比如2條相鄰直線的拐角處），通常情況，為了防止堆膠，一般需要先急停，再突然加速執(zhí)行下一段曲線。但是這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的機(jī)械沖擊。
為了克服機(jī)械沖擊，在圖形拐彎處采用了速度前瞻技術(shù)。通過(guò)提前預(yù)判軌跡來(lái)處理拐彎的速度和加速度。使點(diǎn)膠機(jī)在拐彎的地方平滑拐彎，有效的避免了機(jī)械沖擊。這個(gè)過(guò)程就是連續(xù)插補(bǔ)過(guò)程。拐彎的的連續(xù)性可以通過(guò)設(shè)置拐彎加速度來(lái)控制。

4.2 開(kāi)膠延時(shí)和提前關(guān)膠
出膠控制器是用IO信號(hào)來(lái)控制是否要出膠。不管是開(kāi)膠還是關(guān)膠，它都有一個(gè)固定的延時(shí)。開(kāi)始加工一個(gè)圖形的時(shí)候，先開(kāi)膠頭，然后需要延時(shí)一段“開(kāi)膠延時(shí)”后再開(kāi)始加工。
一個(gè)圖形加工完了后，常常需要關(guān)膠。此時(shí)控制卡就會(huì)給出膠控制器發(fā)送一個(gè)關(guān)膠信號(hào)。此時(shí)雖然圖形走完了，但是過(guò)一段時(shí)間膠水才會(huì)完全停掉。此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致圖形結(jié)束出堆膠。為了避免這種現(xiàn)象，就需要提前關(guān)膠。提前關(guān)膠實(shí)際上是采用位置比較輸出技術(shù)做到的。也就是說(shuō)通過(guò)提前預(yù)判關(guān)膠的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)在某處提前關(guān)膠。

4.3 起點(diǎn)校正
圖形的形狀在編程的時(shí)候就已經(jīng)固定下來(lái)了，但是圖形的整體相對(duì)位置還沒(méi)有定下來(lái)。被點(diǎn)膠的工件是放置在加工平臺(tái)上的。由于安裝誤差，肯定不可能每次都放置在同一個(gè)地方。因此示教盒必須要有起點(diǎn)校正的功能。在每次加工前重新校正一下起點(diǎn)，使工件和膠頭的軌跡吻合。

4.4 其他工藝和特點(diǎn)
? 多種基本圖形：孤立點(diǎn)、直線、折線、圓弧、整圓、半橢圓、整橢圓。
? 3維空間圖形連續(xù)插補(bǔ)：可實(shí)現(xiàn)三維圖形連續(xù)插補(bǔ)軌跡運(yùn)動(dòng)。
? 平臺(tái)適應(yīng)性：小到幾毫米，大到幾十米的平臺(tái)均可直接使用。
? 復(fù)位重新定位坐標(biāo)系：在故障時(shí)或誤差累積到一定程度時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械復(fù)位可以重新定位到以前的坐標(biāo)系。定位精度0.01mm。
? 循環(huán)加工：實(shí)現(xiàn)同一個(gè)圖形自動(dòng)反復(fù)加工。可以設(shè)置循環(huán)加工次數(shù)和循環(huán)加工時(shí)間間隔。
? 急停：使驅(qū)動(dòng)器斷電立即停止機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
? 分步加工功能：可加工完一段圖形后自動(dòng)暫停，按鍵后繼續(xù)加工下一段圖形。
? 加工中可插入吹氣點(diǎn)：吹氣點(diǎn)會(huì)給吹氣設(shè)備一個(gè)IO信號(hào)，把粘滯的膠水拉絲吹斷。
? 流水線接口：使點(diǎn)膠機(jī)可裝配在流水線上與流水線配合操作加工。
? 多IO控制：同時(shí)控制多個(gè)膠頭，使它們分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。
? 激光、點(diǎn)焊同類設(shè)備通用性：把出膠控制器換成激光頭或焊頭，進(jìn)行簡(jiǎn)單改動(dòng)即可。

5 結(jié)束語(yǔ)
本示教編程器已成功應(yīng)用于樂(lè)創(chuàng)自動(dòng)化技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的點(diǎn)膠機(jī)器人控制系統(tǒng)FS30中，作為人機(jī)交互的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它可以使人更輕松地與機(jī)器人交流，讓機(jī)器人根據(jù)人的意志來(lái)工作，避免了用冗長(zhǎng)復(fù)雜的代碼指令等來(lái)控制機(jī)器人。
在未來(lái)，示教編程器將會(huì)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。極大的方便人與機(jī)器之間的交流，把機(jī)器人的功能發(fā)揮到最大的程度。